螺旋槳軸與軸套的過(guò)盈配合計(jì)算

程紹堅(jiān)，方 斌

（1.上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

螺旋槳軸與軸套的過(guò)盈配合計(jì)算

程紹堅(jiān)1，方 斌2

（1.上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

應(yīng)用水潤(rùn)滑軸承的螺旋槳軸需在軸承支承部位固定軸套，軸套與尾軸之間多采用熱套過(guò)盈配合固聯(lián)。這種靜配合的過(guò)盈量以往一般以經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定，并不能確?？偸前踩涂煽康摹Ｎ恼掳床牧狭W(xué)厚壁筒應(yīng)力理論，提出依溫度變化計(jì)算獲取不同過(guò)盈量的方法，可滿足螺旋槳軸實(shí)際運(yùn)行的需要。文內(nèi)附一設(shè)計(jì)實(shí)例，供相關(guān)人士參考。

螺旋槳軸；尾軸；軸套；過(guò)盈量

0 引言

船舶螺旋槳軸（也稱尾軸）的軸承有水潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑兩種型式，前者多用于軍船、公務(wù)船，而后者則多用于商船。隨著對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)要求的提高，水潤(rùn)滑尾軸承的應(yīng)用范圍有不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)。

采用水潤(rùn)滑軸承的尾軸一般要在軸頸部位固定軸套，防止海水侵蝕尾軸。為確保尾軸與軸套間可靠固聯(lián)而不產(chǎn)生相對(duì)松脫、打滑，二者須采用過(guò)盈配合[1]。對(duì)這種過(guò)盈配合的過(guò)盈量的確定，規(guī)范沒(méi)有明確的要求，也沒(méi)有給出計(jì)算方法，設(shè)計(jì)者一般按經(jīng)驗(yàn)公式?jīng)Q定。經(jīng)核算發(fā)現(xiàn)，這并不能確保這樣的過(guò)盈配合總是安全和可靠的。過(guò)盈量偏小，可能導(dǎo)致軸套在尾軸上打滑、竄動(dòng)；過(guò)盈量偏大則可能使軸套開(kāi)裂。

近來(lái)就發(fā)生了某國(guó)際一線品牌船用設(shè)備供應(yīng)商所供多套尾軸與軸套之間發(fā)生溫度升高而松脫的事故，造成供貨脫期和返工的重大損失。

本文擬就尾軸與軸套的過(guò)盈配合的過(guò)盈量的確定給出分析和計(jì)算，并輔以一計(jì)算實(shí)例。

1 計(jì)算方法的說(shuō)明與分析

1.1 使軸套與尾軸免于滑動(dòng)的力F[2]

參見(jiàn)圖1，尾軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)軸套一起轉(zhuǎn)動(dòng)，軸套外面是尾軸承（未繪出），軸套與尾軸承之間存在圓周方向的摩擦力Fc和軸向的摩擦力Fs，這兩個(gè)力阻止軸套隨軸運(yùn)動(dòng)。Ffc和Ffs是軸套與尾軸結(jié)合面間的周向和軸向的摩擦力，此二力克服Fc和Fs的作用。Fc和Ffc作用于不同的半徑上，可以看出：

軸向的摩擦力Fs與Ffs應(yīng)該是大小相等，方向相反的：

式中，μb為軸承與軸套之間的最大靜摩擦系數(shù)，對(duì)于高分子軸承材料與青銅材料軸套取0.20，對(duì)橡膠軸承與青銅軸套取0.26。Fb為軸承的徑向負(fù)荷，由軸系校中計(jì)算獲得，N。

為確保結(jié)合面的可靠固聯(lián)，可以認(rèn)為Fc和Fs同時(shí)作用于軸套。

由上可知，結(jié)合面間：

Ffc和Ffs相互垂直，二者之合力即為免于結(jié)合面滑動(dòng)的力F，單位為N。

1.2 尾軸與軸套結(jié)合面間最小比壓Pmin

式中，Pmin的單位為 N/mm2；μ為尾軸與軸套間的靜摩擦系數(shù)，對(duì)青銅軸套與鋼軸取0.15；Lf為結(jié)合面有效長(zhǎng)度，mm；df為結(jié)合面基本直徑，mm。

1.3 溫度為35℃時(shí)，結(jié)合面間最小過(guò)盈量δ min35℃

式中，最小過(guò)盈量δmin35℃的單位為mm。B3為系數(shù)：

式中，E1為尾軸材料的彈性模數(shù)，對(duì)鋼材，取2.06×105MPa；E2為軸套材料的彈性模數(shù)，對(duì)鑄錫青銅（ZCuSn10Zn2）取1.03×105MPa；?1為尾軸材料的泊松比，對(duì)鋼材，取0.30；?2為軸套材料的泊松比，對(duì)鑄錫青銅（ZCuSn10Zn2），取0.30。K1=di/df，K2=da/df。

1.4 與軸、孔表面粗糙度相關(guān)的過(guò)盈量δr

式中，δr的單位為mm；δra、δri為軸套內(nèi)孔、尾軸外圓表面的粗糙度壓平深度，平均取0.006 3。

1.5 與安裝溫度相關(guān)的過(guò)盈量δt

軸套與軸采用不同的材料，具有不同的線脹系數(shù)。隨著濕度的上升，軸套膨脹量大于軸的膨脹量，結(jié)合面間會(huì)逐漸松開(kāi)。要維持結(jié)合面間不致松脫，在較高溫度時(shí)要維持一個(gè)最小的過(guò)盈量δmin35℃，在不同的安裝溫度條件下與溫度相關(guān)的過(guò)盈量：

式中，δt的單位為mm。α2為銅套材料的線脹系數(shù)，對(duì)錫青銅取18×10-6；α1為尾軸材料的線脹系數(shù)，對(duì)鋼取11×10-6；t為安裝溫度，℃，取0℃～35℃。

1.6 確定機(jī)械加工的公差帶寬δm

按常用工藝，參照公差等級(jí)：孔IT7，軸IT6，擬定機(jī)械加工公差帶寬為：δm=0.080（mm）。

1.7 實(shí)際需要最小過(guò)盈量δ 35℃、δ 0℃[3-4]

最小過(guò)盈量的單位為mm。

1.8 溫度0°C時(shí)，結(jié)合面允許最大比壓

考慮軸套材料屈服極限的70%情況下的結(jié)合允許最大比壓Pmax，單位為MPa。

1.9 溫度0°C、35°C時(shí)最大過(guò)盈量

式中，δmax0℃和δmax35℃的單位為mm。

1.10 確定推薦過(guò)盈量

按實(shí)際情況可在δmin0℃、δmax0℃之間選取推薦過(guò)盈量δr.0℃；按實(shí)際情況可在δmin35℃、δmax35℃之間選取推薦過(guò)盈量δr.35℃；一般可?。▎挝唬簃m）：

1.11 給出不同溫度下的過(guò)盈量的圖表，方便應(yīng)用。參見(jiàn)以下實(shí)例。

2 計(jì)算實(shí)例

2.1 已知參數(shù)

2.2 計(jì)算

1）結(jié)合面間所需摩擦力F，單位N

2）結(jié)合面間最小比壓Pmin，單位MPa

3）溫度35°C時(shí)，結(jié)合面間最小過(guò)盈量δmin35℃

式中，

4）與加工表面粗糙度相關(guān)的過(guò)盈量（單位：mm）

5）與安裝溫度相關(guān)的過(guò)盈量（單位：mm）

對(duì)安裝溫度t，從0℃～35℃，間隔為5℃，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 與安裝溫度相關(guān)的過(guò)盈量計(jì)算表

6）機(jī)械加工的帶寬（單位：mm）

7）實(shí)際需要最小過(guò)盈量（單位：mm）

8）溫度0℃時(shí)，結(jié)合面最大比壓Pmax（單位：MPa）

9）溫度0℃、35℃時(shí)最大過(guò)盈量（單位：mm）

10）確定推薦過(guò)盈量（單位：mm）

11）給出過(guò)盈量圖（見(jiàn)圖2）和表（見(jiàn)表2）

表2 推薦過(guò)盈量表

3 結(jié)論

過(guò)盈量的正確計(jì)算可以保證軸套和尾軸的良好固聯(lián)，使船舶推進(jìn)軸系充分發(fā)揮出設(shè)計(jì)效率。本文按材料力學(xué)厚壁筒應(yīng)力理論，通過(guò)實(shí)例計(jì)算 0℃和35℃之間的不同過(guò)盈量，可以為實(shí)際安裝螺旋槳軸提供參照，保證過(guò)盈配合的效果。

在隨后的設(shè)計(jì)中，將對(duì)該計(jì)算方法進(jìn)一步進(jìn)行比對(duì)，調(diào)整計(jì)算系數(shù)，使得計(jì)算結(jié)果可以更接近于實(shí)際情況，提高螺旋槳軸的安裝效率和安裝質(zhì)量。

[1]東北大學(xué)機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京： 冶金工業(yè)出版社, 1994.

[2]劉鴻文, 主編.材料力學(xué)(第 5版)[M].北京： 高等教育出版社, 2011.

[3]DNV GL.DNV GL鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范[S].2015.

[4]中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范[S].2015.

Interface Fit Calculation for Propeller Shaft and Stern Tube

CHENG Shaojian1, FANG Bin2
(1.Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 200137, China; 2.Marine Design amp; Research Institute of China,Shanghai 200011, China)

In the case of the propeller shaft of a water-lubricated bearing, it is necessary to fix the shaft sleeve to the bearing support.The stern tube and the tail shaft are most often joined using interference fit by heating the sleeve.The magnitude of interference in the static fit is typically determined from empirical formulas, which, unfortunately, are not always reliable or safe.Based on the thick-wall cylinder stress theory of the mechanics of materials, another approach is proposed in the paper, that, the magnitude of interference is gained determined by temperature-dependent calculation.The approach provides a solution that satisfies the needs in actual operation.A design case is included for reference by interested readers.

propeller shaft; tail shaft; stern tube; magnitude of interference fit

TH123+1

A

10.14141/j.31-1981.2017.06.010

程紹堅(jiān)（1977—），男，工程師，研究方向：船舶設(shè)計(jì)。